CN114784492A - 一种小型化siw高增益磁电偶极子天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，该天线阵列包括从上至下顺次设置的第一层金属贴片、介质基板，第二层金属贴片、介质基板，第三层金属贴片、介质基板，第四层金属贴片、介质基板；第一层金属贴片分为两组，每组包括两个镜像对称的E型金属片，每个E型金属片上设有一个贯穿第一层介质基板且连接第一、二层金属贴片的金属通孔；第二层金属贴片刻蚀两个形状相同的碟形缝隙，第二层介质基板在包围两个碟形缝隙的外侧设置呈矩形排列的第二层金属通孔；第三层介质基板设有一个矩形通孔连接第三层和第四层金属贴片；第四层金属贴片平铺在第四层介质基板上表面。本发明天线阵列具有小型化、高增益、宽频带的优点。

Description

一种小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列
技术领域
本发明涉及磁电偶极子天线技术领域，特别是一种小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列。
背景技术
近年来，毫米波无线通信应用广泛需求与日俱增，例如5G，AR/VR，自动驾驶，物联网等领域。传统微带贴片天线体积小，成本低并且可以单向辐射，但是其增益和阻抗带宽较低，工作性能一般。磁电偶极子天线具有高增益，宽频带，易于加工的特点，可以大幅度提升天线的性能。
传统的微带功分器微带线之间耦合现象严重，并且体积较大。基片集成波导(SIW)拥有很好的隔离性，传输损耗小、易于加工集成，SIW功分器更是具有低损耗、功率容量大、宽频带、体积小的优点，适合大规模生产。
但是在保证SIW功分器体积小、损耗低的同时，如何将微带线耦合馈电至SIW腔体以降低损耗、提升阻抗带宽，以及如何实现天线的宽频带、高增益，依然是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小、频带宽、增益高，并且结构简单、容易实现的小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，包括从上至下顺次设置的第一层金属贴片、第一层介质基板、第二层金属贴片、第二层介质基板、第三层金属贴片、第三层介质基板、第四层金属贴片、第四层介质基板，其中；
所述第一层金属贴片包括左右并排设置的第一金属片、第二金属片，第一金属片、第二金属片分别由一对镜像对称的E型金属片组成，每个E型金属片上都设有一个金属通孔，四个金属通孔贯穿第一层介质基板，连接第一层金属贴片、第二层金属贴片；
所述第二层金属贴片平铺在第二层介质基板上表面，并刻蚀两个形状相同的碟形缝隙；第二层介质基板在包围两个碟形缝隙的外侧设置呈矩形排列的第二层金属通孔，第二层金属通孔连接第二层金属贴片和第三层金属贴片；
所述第三层金属贴片平铺在第三层介质基板上表面，第三层介质基板设置一个矩形通孔连接第三层金属贴片和第四层金属贴片；
所述第四层金属贴片平铺在第四层介质基板上表面，第四层金属贴片为一条沿着左右方向延伸的微带线，右端与第四层介质基板右侧边沿的馈电口连接，左端位于第三层介质基板的矩形通孔下方。
进一步地，所述第一层金属贴片包括左侧的第一金属片和右侧的第二金属片，第一金属片、第二金属片的结构相同并且二者关于中轴线对称分布。
进一步地，所述第一金属片采用两个形状相同、镜像排布的第一E型金属片、第二E型金属片构成，第二金属片采用两个形状相同、镜像排布的第三E型金属片、第四E型金属片构成。
进一步地，所述第一E型金属片由纵向的第一矩形金属贴片以及横向的第二矩形金属贴片、第三矩形金属贴片、第四矩形金属贴片构成，第四矩形金属贴片位于第二矩形金属贴片、第三矩形金属贴片之间；第四矩形金属贴片上设置第一金属通孔，对应的第二E型金属片、第三E型金属片、第四E型金属片上分别设置第二金属通孔、第三金属通孔、第四金属通孔。
进一步地，所述第一层介质基板被第一金属通孔、第二金属通孔、第三金属通孔、第四金属通孔贯穿，分别连接第一层金属贴片、第二层金属贴片。
进一步地，所述第二层金属贴片的左、右两侧刻蚀关于中心轴对称的第一碟形缝隙、第二碟形缝隙，第一碟形缝隙的两侧分别为第一金属通孔和第二金属通孔，第二碟形缝隙的两侧分别为第三金属通孔和第四金属通孔。
进一步地，所述第二层金属通孔包括左侧、上侧、右侧、下侧依次连接的四排共66个金属通孔，四排金属通孔形成矩形结构包围第一碟形缝隙、第二碟形缝隙，其中每个金属通孔连接第二层金属贴片和第三层金属贴片。
进一步地，第二层金属通孔中66个金属通孔，每个金属通孔的尺寸满足下式：
Figure BDA0003606153300000021
式中weff为第二层金属通孔所形成的矩形结构的等效宽度；w为第二层金属通孔所形成的矩形结构的实际宽度，即上侧一排金属通孔和下侧一排金属通孔之间的距离；贯穿第二层金属贴片、第二层介质基板、第三层金属贴片的金属通孔直径均为d；s为同侧相邻两金属通孔圆心之间的距离。
进一步地，所述微带线左端位于第三层介质基板的矩形通孔下方，且微带线左端向左延伸超出矩形通孔左边沿。
进一步地，第一层介质基板、第二层介质基板、第三层介质基板、第四层介质基板的材质均为RogersRT5880。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用基片集成波导结构，设计了径向SIW功分器，体积小、损耗低、易于集成；(2)微带线通过矩形通孔耦合馈电至SIW腔体，实现能量平分，降低损耗，提升阻抗带宽；(3)通过蝶形缝隙耦合馈电，获得更宽的阻抗带宽；(4)采用磁电偶极子结构，天线拥有宽频带高增益的特点。
附图说明
图1a是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列中天线的前视图。
图1b是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列中天线的侧视图。
图1c是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列中第一层金属贴片俯视图。
图1d是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列中第一层介质层基板俯视图。
图1e是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列中第二层金属贴片俯视图。
图1f是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列中第二层介质基板俯视图。
图1g是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列中第三层金属贴片俯视图。
图1h是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列中第三层介质基板俯视图。
图1i是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列中第四层金属贴片俯视图。
图1j是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列中第四层介质基板俯视图。
图2是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列的S11曲线图。
图3a是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列在30GHz的E面辐射图。
图3b是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列在30GHz的H面辐射图。
图4是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列的增益随频率变化的曲线图。
具体实施方式
本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，采用磁电偶极子天线，天线具有高增益宽频带的性能，采用SIW径向功分器对天线进行组阵，以及蝶形缝隙馈电使天线阵列具有更高的增益，并实现了小型化的特性。
结合图1a～图1j，本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，包括从上至下顺次设置的第一层金属贴片1、第一层介质基板2、第二层金属贴片3、第二层介质基板4、第三层金属贴片5、第三层介质基板6、第四层金属贴片7、第四层介质基板8，其中：
所述第一层金属贴片1包括左右并排设置的第一金属片11、第二金属片12，第一金属片11、第二金属片12分别由一对镜像对称的E型金属片组成，每个E型金属片上都设有一个金属通孔，四个金属通孔贯穿第一层介质基板2，连接第一层金属贴片1、第二层金属贴片3；
所述第二层金属贴片3平铺在第二层介质基板4上表面，并刻蚀两个形状相同的碟形缝隙；第二层介质基板4在包围两个碟形缝隙的外侧设置呈矩形排列的第二层金属通孔31，第二层金属通孔31连接第二层金属贴片3和第三层金属贴片5；
所述第三层金属贴片5平铺在第三层介质基板6上表面，第三层介质基板6设置一个矩形通孔56连接第三层金属贴片5和第四层金属贴片7；
所述第四层金属贴片7平铺在第四层介质基板8上表面，第四层金属贴片7为一条沿着左右方向延伸的微带线71，右端与第四层介质基板8右侧边沿的馈电口73连接，左端位于第三层介质基板6的矩形通孔56下方。
作为一种具体示例，所述第一层金属贴片1包括左侧的第一金属片11和右侧的第二金属片12，第一金属片11、第二金属片12的结构相同并且二者关于中轴线对称分布，并且关于中心对称设置。
作为一种具体示例，所述第一金属片11采用两个形状相同、镜像排布的第一E型金属片111、第二E型金属片112构成，第二金属片12采用两个形状相同、镜像排布的第三E型金属片121、第四E型金属片122构成。
作为一种具体示例，所述第一E型金属片111由纵向的第一矩形金属贴片1111以及横向的第二矩形金属贴片1112、第三矩形金属贴片1113、第四矩形金属贴片1114构成，第四矩形金属贴片1114位于第二矩形金属贴片1112、第三矩形金属贴片1113之间；第四矩形金属贴片1114上设置第一金属通孔1115，对应的第二E型金属片112、第三E型金属片121、第四E型金属片122上分别设置第二金属通孔1116、第三金属通孔1211、第四金属通孔1221。
作为一种具体示例，所述第一层介质基板2被第一金属通孔1115、第二金属通孔1116、第三金属通孔1211、第四金属通孔1221贯穿，分别连接第一层金属贴片1、第二层金属贴片3。
作为一种具体示例，征在于，所述第二层金属贴片3的左、右两侧刻蚀关于中心轴对称的第一碟形缝隙34、第二碟形缝隙35，第一碟形缝隙34的两侧分别为第一金属通孔1115和第二金属通孔1116，第二碟形缝隙35的两侧分别为第三金属通孔1211和第四金属通孔1221。
作为一种具体示例，所述第二层金属通孔31包括左侧、上侧、右侧、下侧依次连接的四排共66个金属通孔，四排金属通孔形成矩形结构包围第一碟形缝隙34、第二碟形缝隙35，其中每个金属通孔连接第二层金属贴片3和第三层金属贴片5。
作为一种具体示例，第二层金属通孔31中66个金属通孔，每个金属通孔的尺寸满足下式：
Figure BDA0003606153300000051
式中weff为第二层金属通孔31所形成的矩形结构的等效宽度；w为第二层金属通孔31所形成的矩形结构的实际宽度，即上侧一排金属通孔和下侧一排金属通孔之间的距离；贯穿第二层金属贴片3、第二层介质基板4、第三层金属贴片5的金属通孔直径均为d；s为同侧相邻两金属通孔圆心之间的距离。
作为一种具体示例，所述微带线71左端位于第三层介质基板6的矩形通孔56下方，且微带线71左端向左延伸超出矩形通孔56左边沿。
作为一种具体示例，第一层介质基板2、第二层介质基板4、第三层介质基板6、第四层介质基板8的材质均为RogersRT5880。
下面结合附图及具体实例图对本发明进一步详细描述。
实施例
结合图1a～图1j，本发明一种小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，包括从上至下依次为第一层金属贴片1，第一层介质基板2，第二层金属贴片3，第二层介质基板4，第三层金属贴片5，第三层介质基板6，第四层金属贴片7，第四层介质基板8；
所述第一层金属贴片1由第一金属片11和右侧第二金属片12组成，两金属片结构完全一致，所述第一层金属贴片1左侧第一金属片11采用两个形状相同但镜像排布的E型金属片111,112，其中单个E型金属贴片111由四个矩形金属贴片1111,1112,1113,1114组成；在矩形贴片1114偏右侧处设置一个金属通孔1115；在矩形金属贴片1111右上角处连接矩形金属贴片1112，在矩形金属贴片1111右侧处连接矩形金属贴片1114，在矩形金属贴片1111右下角处连接矩形金属贴片1113，由此构成E型金属片111；第一层金属贴片1上的四个金属通孔1115,1116,1211,1221直径相等，并且贯穿第一层介质基板2和第二层金属贴片3；
所述第二层金属贴片3平铺满整个第二层介质基板4上表面，并刻蚀两个形状相同并且关于中心对称的碟形缝隙34,35，左侧第一碟形缝隙34的两侧分别为第一金属通孔1115和第二金属通孔1116，右侧第二碟形缝隙35的两侧分别为第三金属通孔1211和第四金属通孔1221；第二层金属贴片3设有66个金属通孔31，金属通孔31包括左侧、上侧、右侧、下侧依次连接的四排金属通孔；四排金属通孔31形成矩形结构包围蝶形缝隙34,35；
所述第二层介质基板4设有66个金属通孔31，金属通孔31包括左侧、上侧、右侧、下侧依次连接的四排金属通孔，其中每个金属通孔连接第二层金属贴片3和第三层金属贴片5；
所述第三层金属贴片5平铺满整个第三层介质基板6上表面，并被矩形通孔56贯穿；第三层金属贴片5设有66个金属通孔31，金属通孔31包括左侧、上侧、右侧、下侧依次连接的四排金属通孔；四排金属通孔31形成矩形结构包围矩形通孔56；
所述第三层介质基板6被矩形通孔56贯穿，通孔连接第三层金属贴片5；
所述第四层金属贴片7平铺在第四层介质基板8上表面，第四层金属贴片7为微带线71，其一端与馈电口73连接，另一端连接至第三层介质基板6矩形通孔56下方；
所述第一层金属贴片1左侧第一金属片11采用两个形状相同但镜像排布的E型金属片111,112，其中单个E型金属贴片111由四个矩形金属贴片1111,1112,1113,1114组成；在矩形贴片1114偏右侧处设置一个金属通孔1115；在矩形金属贴片1111右上角处连接矩形金属贴片1112，在矩形金属贴片1111右侧处连接矩形金属贴片1114，在矩形金属贴片1111右下角处连接矩形金属贴片1113，由此构成E型金属片111；
E型金属片111关于第一中线13镜像对称构成E型金属片112，第一中线13距第一层介质基板2左边缘4.5mm处；E型金属片111，112共同构成了第一金属片11；第一金属片11关于中心对称构成第二金属片12。
第二层金属贴片3的左侧第一碟形缝隙34的两侧分别为第一金属通孔1115和第二金属通孔1116，右侧第二碟形缝隙35的两侧分别为第三金属通孔1211和第四金属通孔1221；左侧第一碟形缝隙34和右侧第二碟形缝隙35关于第二中线33对称排布，第二中线33距第二层介质基板2左边缘7.5mm处。
第一层介质基板2，第二层介质基板4位于第三中线66的左侧，第三中线66位于距第三层介质基板右边缘1mm处。
本发明参数设计过程如下：
(一)第一层介质基板2的厚度为0.508mm、介电常数为2.2，第二层介质基板4的厚度为0.508mm、介电常数为2.2，第三层介质基板6的厚度为0.508mm、介电常数为2.2，第四层介质基板8的厚度为0.254mm、介电常数为2.2。
(二)根据以下公式确定金属通孔31的尺寸：
Figure BDA0003606153300000071
式中，式中weff为第二层金属通孔31所形成的矩形结构的等效宽度；w为第二层金属通孔31所形成的矩形结构的实际宽度，即上侧一排金属通孔和下侧一排金属通孔之间的距离；位于第二层金属贴片2，第二层介质基板3和第三层金属贴片4中所有的金属通孔的直径均为d；s为同侧相邻两金属通孔圆心之间的距离。
(三)微带线71位于第三层介质基板6的下方，微带线左端位于矩形通孔56下方，再将微带线71向左平移一段距离74固定在第四层介质基板8上表面。
(四)所述第一层金属贴片1由第一金属片11和右侧第二金属片12组成，两金属片结构完全一致，所述第一层金属贴片1左侧第一金属片11采用两个形状相同但镜像排布的E型金属片111,112，E型金属片111关于中线13镜像对称构成E型金属片112，中线13距第一层介质基板2左边缘4.5mm处；中线33距第二层介质基板2左边缘7.5mm处；其中单个E型金属贴片111由四个矩形金属贴片1111,1112,1113,1114组成；在矩形贴片1114偏右侧处设置一个金属通孔1115；在矩形金属贴片1111右上角处连接矩形金属贴片1112，在矩形金属贴片1111右侧处连接矩形金属贴片1114，在矩形金属贴片1111右下角处连接矩形金属贴片1113，由此构成E型金属片111。
结合图1a～图1j，本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，第一层介质基片2的材料为Roger RT5880，介电常数εr＝2.2，厚度H1＝0.508mm,尺寸为15mm×12mm×0.508mm,第二层介质基片4的材料为Roger RT5880，介电常数εr＝2.2，厚度H1＝0.508mm,尺寸为15mm×12mm×0.508mm,第三层介质基6的材料为Roger RT5880，介电常数εr＝2.2，厚度H1＝0.508mm,尺寸为16mm×12mm×0.508mm,第四层介质基片8的材料为RogerRT5880，介电常数εr＝2.2，厚度H1＝0.254mm,尺寸为16mm×12mm×0.254mm；贯穿第一层介质基板2的通孔1115、1116、1211、1221直径为0.4mm，通孔1115、1116圆心之间的距离为0.95mm，通孔1211、1221圆心之间的距离为0.95mm，蝶形缝隙的宽度为2mm，长度为2.1mm；贯穿第二层介质基板4的66个通孔直径为0.4mm，且两通孔圆心之间的距离为0.6mm；贯穿第三层介质基板6的矩形通孔尺寸为3.8mm×0.4mm。
图2是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列的S11曲线图，小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列的工作频带为25.6～34.3GHz，绝对带宽为8.7GHz，相对带宽为29％，本天线具有较宽的工作频带。
图3a是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列在30GHz的E面辐射图，图3b是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列在30GHz的H面辐射图，小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列方向图稳定。
图4是本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列的增益随频率变化的曲线图。
综上所述，本发明小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列方向图稳定，增益高，结构简单，易于加工实现。

Claims (10)

1.一种小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，其特征在于，包括从上至下顺次设置的第一层金属贴片(1)、第一层介质基板(2)、第二层金属贴片(3)、第二层介质基板(4)、第三层金属贴片(5)、第三层介质基板(6)、第四层金属贴片(7)、第四层介质基板(8)，其中；
所述第一层金属贴片(1)包括左右并排设置的第一金属片(11)、第二金属片(12)，第一金属片(11)、第二金属片(12)分别由一对镜像对称的E型金属片组成，每个E型金属片上都设有一个金属通孔，四个金属通孔贯穿第一层介质基板(2)，连接第一层金属贴片(1)、第二层金属贴片(3)；
所述第二层金属贴片(3)平铺在第二层介质基板(4)上表面，并刻蚀两个形状相同的碟形缝隙；第二层介质基板(4)在包围两个碟形缝隙的外侧设置呈矩形排列的第二层金属通孔(31)，第二层金属通孔(31)连接第二层金属贴片(3)和第三层金属贴片(5)；
所述第三层金属贴片(5)平铺在第三层介质基板(6)上表面，第三层介质基板(6)设置一个矩形通孔(56)连接第三层金属贴片(5)和第四层金属贴片(7)；
所述第四层金属贴片(7)平铺在第四层介质基板(8)上表面，第四层金属贴片(7)为一条沿着左右方向延伸的微带线(71)，右端与第四层介质基板(8)右侧边沿的馈电口(73)连接，左端位于第三层介质基板(6)的矩形通孔(56)下方。
2.根据权利要求1所述的小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述第一层金属贴片(1)包括左侧的第一金属片(11)和右侧的第二金属片(12)，第一金属片(11)、第二金属片(12)的结构相同并且二者关于中轴线对称分布。
3.根据权利要求2所述的小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述第一金属片(11)采用两个形状相同、镜像排布的第一E型金属片(111)、第二E型金属片(112)构成，第二金属片(12)采用两个形状相同、镜像排布的第三E型金属片(121)、第四E型金属片(122)构成。
4.根据权利要求3所述的小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述第一E型金属片(111)由纵向的第一矩形金属贴片(1111)以及横向的第二矩形金属贴片(1112)、第三矩形金属贴片(1113)、第四矩形金属贴片(1114)构成，第四矩形金属贴片(1114)位于第二矩形金属贴片(1112)、第三矩形金属贴片(1113)之间；第四矩形金属贴片(1114)上设置第一金属通孔(1115)，对应的第二E型金属片(112)、第三E型金属片(121)、第四E型金属片(122)上分别设置第二金属通孔(1116)、第三金属通孔(1211)、第四金属通孔(1221)。
5.根据权利要求4所述的小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述第一层介质基板(2)被第一金属通孔(1115)、第二金属通孔(1116)、第三金属通孔(1211)、第四金属通孔(1221)贯穿，分别连接第一层金属贴片(1)、第二层金属贴片(3)。
6.根据权利要求1～5任一项所述的小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述第二层金属贴片(3)的左、右两侧刻蚀关于中心轴对称的第一碟形缝隙(34)、第二碟形缝隙(35)，第一碟形缝隙(34)的两侧分别为第一金属通孔(1115)和第二金属通孔(1116)，第二碟形缝隙(35)的两侧分别为第三金属通孔(1211)和第四金属通孔(1221)。
7.根据权利要求6所述的小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述第二层金属通孔(31)包括左侧、上侧、右侧、下侧依次连接的四排共66个金属通孔，四排金属通孔形成矩形结构包围第一碟形缝隙(34)、第二碟形缝隙(35)，其中每个金属通孔连接第二层金属贴片(3)和第三层金属贴片(5)。
8.根据权利要求7所述的小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，其特征在于，第二层金属通孔(31)中66个金属通孔，每个金属通孔的尺寸满足下式：
Figure FDA0003606153290000021
式中weff为第二层金属通孔(31)所形成的矩形结构的等效宽度；w为第二层金属通孔(31)所形成的矩形结构的实际宽度，即上侧一排金属通孔和下侧一排金属通孔之间的距离；贯穿第二层金属贴片(3)、第二层介质基板(4)、第三层金属贴片(5)的金属通孔直径均为d；s为同侧相邻两金属通孔圆心之间的距离。
9.根据权利要求6所述的小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述微带线(71)左端位于第三层介质基板(6)的矩形通孔(56)下方，且微带线(71)左端向左延伸超出矩形通孔(56)左边沿。
10.根据权利要求6所述的小型化SIW高增益磁电偶极子天线阵列，其特征在于，第一层介质基板(2)、第二层介质基板(4)、第三层介质基板(6)、第四层介质基板(8)的材质均为RogersRT5880。
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